基于分類效率識別的水資源承載能力三層次評價方法

游進軍，蔡露瑤，林鵬飛，王彥兵，謝紀強

（1.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.寧夏回族自治區水利調度中心，銀川 750010）

承載能力的概念有較長的歷史淵源和廣泛的研究范圍，資源環境承載力是探尋人與自然和諧共處的重要方向，逐步成為區域可持續發展的重要科學判據［1］，針對不同類型資源環境要素從內涵、概念到評價方法均有不同的研究成果［2］。我國自1989年新疆軟課題組開展水資源承載能力研究［3］以來，開展了多類研究，在概念內涵特點研究基礎上形成了規模論、容量論和能力論等承載能力的不同表述方式［4］，包含經驗公式法、指標體系評價法和系統分析法等幾類主要評價方法，水資源主體從水量屬性為主擴展到“量、質、域、流”整體屬性［5］。黨的十八大以來，隨著《生態文明體制改革總體方案》等政策文件出臺，資源環境承載能力從研究逐步轉向實際應用，一方面是針對承載能力的監測預警研究方法以及超載狀態的描述［6］，如金菊良等［7］針對水資源特點分析合理預警指標選取和動態評價方法，龍秋波［8］等針對監測預警開展風險評價；另一方面是從實際應用出發提出具有操作性的評價方法，如丁晶等［9］提出以滿足供水保證率要求的水資源量作為主體反映水資源隨機性變化和供水保障目標的實際特征，李云玲等［10］以水資源規劃管理的水量、水質、水生態等控制指標為依據提出“短板法”進行綜合評價。

針對不同區域的自然特征和水問題癥結，水資源承載能力研究的側重點和方法也有所差異。西北干旱區水資源本底條件差、生態環境脆弱，經濟與生態的用水競爭問題對人類生存和發展有直接影響，是最早開展水資源承載能力研究的區域。20世紀90年代初許有鵬［11］選擇耕地率、水資源利用率、人均供水量、生態用水率等影響干旱區供需關系的評判因素并提出分級指標，利用模糊綜合評判法構建干旱區水資源承載能力綜合評價模型，以新疆和田流域為例進行了評價；1999年徐中民等［12］結合政策因素采用多目標方法分析了黑河流域中游張掖地區規劃水平年的水資源承載狀況。此后，其他一些學者采用經濟社會用水消耗水平［13］、主成分分析［14-16］、層次分析［17］、TOPSIS評價［18］、短板法［19］等不同方法，對西北地區水資源承載能力開展了研究。華北地區由于經濟社會規模擴大、用水持續增長，導致區域用水競爭激烈、生態用水被擠占，水問題日漸突出，也是水資源承載能力研究的重點。2004年趙建世等［20］提出以水資源超載度作為水資源承載能力評價標準，分析了海河流域承載能力的演變趨勢；2007年王忠靜等［21］構造水資源承載力雙指針模型分析了山西省大同市的水資源承載能力；多目標分析［22］、熵權法［23］、集對分析［24-25］、短板法［10］等也在華北地區研究中得到應用。由于水環境污染帶來的水質性缺水問題突出、分水矛盾增加，水資源承載能力研究在南方豐水地區也得到重視，TOPSIS評 價［26］、主成分分析［27］、模糊綜合評價［28-30］、多目標分析［31-32］、風險矩陣法［33］等方法得到應用，針對系統協調性的綜合評價逐漸增多［34-35］。中國水利水電科學研究院在全國水資源綜合規劃專題研究中提出了水資源承載能力三層次評價方法，采用萬元GDP產業用水量和區域水資源可利用量計算可承載的經濟規模和人口數量［36］，方法簡單實用，可依托水資源規劃數據針對不同區域進行評價［37-39］。

總體而言，已有的承載能力分析方法通常將水資源與經濟社會作為整體，采用指標評價方法開展研究，缺乏區域產業結構對用水效率的量化分析，影響評價結果準確性。以現有的三層次評價方法為例，由于將農業用水納入萬元GDP產業用水量計算，綜合用水效率隨承載水平變化而變化：一是效率變化缺乏依據，與實際的產業結構和發展趨勢不一致；二是不符合“以水定域、以水定地、以水定人、以水定產”（簡稱“四水四定”）等新思路下的水量配置原則，導致承載能力評價結果出現偏差。為了客觀體現用水特征對綜合用水效率的影響，對現有的三層次評價方法進行改進，扣除農業用水量計算綜合用水效率，更準確反映產業結構變化下的承載能力計算結果，并以農業用水占比較高的寧夏回族自治區進行驗證。通過方法改進前后的承載結果與各項用水量對比，體現了改進方法在反映真實用水結構和效率上的優勢，結合推導的承載人口直接計算公式表明：可承載人口數量由可以支撐二、三產業和生活的水量與二者的用水效率決定，揭示農業用水量，人均GDP以及二、三產業用水效率等3項主要影響因素的作用機制。結合寧夏實際情況，通過情景分析得出不同發展模式下的承載力變化狀況，探究不同因素的影響，可為提高承載能力的決策調整方向提供量化依據。

1 計算方法

1.1 現有三層次評價法

水資源承載能力三層次評價方法基于承載主體、客體以及主客體耦合3個層次構建，依托水資源量和經濟水平評價可承載的經濟規模和人口數量，具有概念清晰、便于操作的特點。

第一層次是承載主體分析，即可用于生產的水資源可利用量，由區域水資源可利用量扣除生活與生態需水量得到，其中生活需水量通過預估可承載人口數量計算；第二層次是承載客體分析，即水資源支撐的經濟社會系統和生態環境系統，采用經濟發展水平和用水水平作為評價指標，由人均GDP表征，根據不同承載水平分析綜合用水效率，即單位GDP產業用水量；第三層次是主客體的耦合，即水資源到用水戶的合理分配，由上述兩層分析得到的可用于生產的水資源可利用量和單位GDP產業用水量推算可承載的經濟規模，結合相應承載水平的人均GDP標準計算可承載人口。將計算所得的可承載人口與第一層次預估人口校核試算，直到二者大致相等，即得出可承載的人口數量和經濟規模。

1.2 現有評價方法的不足

考慮目前水資源管理面臨的新形勢，現有的水資源承載能力三層次評價方法存在一些不足：由于農業用水量大但行業增加值較低，單位GDP產業用水量難以反映產業結構變化對綜合用水效率的影響；農業用水量主要與灌溉方式、種植結構和灌溉定額相關，與增加值關系較弱，綜合用水效率不能反映實際的農業效率變化，存在擠占或放大農業用水的可能，且其效應難以評估；考慮“以水定地”原則及糧食安全等相關政策，農業用水應有基本保障，同時農業節水后的流轉水量可以支撐其他用戶需求，綜合用水效率不能反映這種動態關系，與實際決策需求不符。此外，可承載人口的試算對計算精度存在一定影響。基于以上原因，嘗試對現有方法作改進，突出農業用水保障需求，客觀反映產業結構調整帶來的用水效率變化，同時建立承載能力結果直接計算公式，避免試算過程從而提高結果準確性。

1.3 改進思路和計算流程

根據上述分析，改進方法的基本思路是扣除農業用水量不參與單位GDP產業用水量計算，相應對三層次評價法進行調整，技術路線見圖1。

圖1 技術路線Fig.1 Technology roadmap

第一層次是對于承載主體計算，改進方法增加扣除農業用水量得出可保證二、三產業的可利用水資源量。第二層次根據承載水平確定非農產業綜合用水效率。第三層次是在前兩層次確定二、三產業可利用水資源量和用水效率的前提下，分析以人口數量表征的承載能力結果，通過人均GDP水平計算可承載的經濟規模。與現有方法相比，最主要的區別是以二、三產業的綜合用水效率計算最終的可承載人口和經濟規模。

1.3.1 第一層次的計算

生活需水優先級高，需要優先保障。根據不同承載水平的人口和用水標準得出生活用水量，計算公式為

式中：Wdo為生活用水量，億m3；Pfo為可承載人口數量，萬人；Edo為生活用水定額，L／（人·d）。其中Pfo為中間過程變量，可承載人口數量最終根據公式推導直接給出。

農業用水量采用指標定額法計算，定額參考分類作物灌溉定額標準和區域種植結構特征，灌溉面積參考地區農業規劃發展，計算公式為

式中：Wat為農業用水量，億m3；A為灌溉面積，hm2；Ear為綜合灌溉定額，m3／hm2。

可利用水資源量扣減生活需水和農業用水后即為可用于二、三產業的水資源量，計算公式為

式中：Ws＆t為可用于二、三產業的水資源量，億m3；Wv為區域水資源可利用量，億m3。

1.3.2 第二層次的計算

承載水平反映經濟社會發展水平，一般以人均GDP為標準。以扣除農業后的單位增加值產業用水量作為二、三產業的綜合效率，計算公式為

式中：Cu為給定承載水平下不含農業的單位增加值產業用水量，即非農產業用水效率，m3／萬元；AV，i為農業以外不同行業的增加值，包括第二和第三產業，億元；Ei為各行業的用水定額，m3／萬元。

不同承載水平下各行業的增加值根據其發展趨勢預測或參考相關規劃給定。

1.3.3 第三層次的計算

根據上述計算得出二、三產業可利用水資源量和綜合用水效率，疊加農業增加值計算可承載的GDP，具體公式為

式中：Et為可承載的經濟規模，即GDP，億元AV，agr為對應承載水平下的農業增加值，億元。

可承載的人口數量通過可承載經濟規模和人均GDP得到，計算公式為

式中：P為可承載人口數量，萬人；Vp為人均GDP，萬元。

按照現有的三層次評價方法，可承載的人口數量需要通過試算校核得出。本次通過分析水量、效率、經濟規模（GDP）和生活水平（人均GDP）之間的關系，推導可承載人口的直接計算公式，避免試算校核，推導過程如下：

可利用水資源量扣除農業用水之后即為用于第二、三產業和生活的用水之和：

考慮農業增加值占比較低，二、三產業用水近似采用非農產業用水效率與GDP的乘積計算，即：

生活用水量為可承載人口數量與生活用水定額的乘積，計算公式同式（1）。

將式（8）、式（1）代入式（7），則：

根據可承載人口數量P與人均GDP計算得出可承載GDP，計算公式為

計算式（10）中，分子（Wv－War）是二、三產業和生活的可利用水量，分母是非農產業用水效率和人均生活用水效率之和，即非農用水量與非農用水效率的商為可承載的人口數量。該計算公式表明，在農業需要單獨保障的條件下，區域可承載的人口數量由可以支撐二、三產業和生活的水量與二者的用水效率決定，構成了扣除農業用水需求的承載能力主體和客體，其思路與現有的水資源承載能力三層次評價方法一致。

2 實例研究

2.1 研究區概況

寧夏回族自治區位于黃河流域上游，總面積6.64萬km2，下轄銀川、石嘴山等5個地級市，地勢南高北低。寧夏全區屬于溫帶大陸性氣候，多年平均降水289 mm，多年平均水面蒸發量1 218 mm，水資源匱乏，生態環境脆弱敏感。降水南多北少、蒸發北高南低，平原區主要集中在北部沿黃河地帶，也是主要用水區。寧夏人均當地水資源量不足全國的1／10，量少質差，開發利用難度大，90%的用水引自黃河干流，是依黃河而存、唯黃河而興的區域。全區綜合用水效率不高，取水總量已接近紅線，資源約束日趨緊張，已有研究表明［19］全區5個地級市中4個處于水資源超載狀態。因此，水資源承載能力分析對引導區域合理的經濟社會發展布局十分重要。

2020年，寧夏全區常住人口為720.27萬人（第七次全國人口普查），地區生產總值（GDP）為3 920.55億元（《寧夏統計年鑒2021》），其中第一產業增加值為338.01億元。根據2001—2020年各行業用水量（圖2數據源自《寧夏水資源公報》），由圖2可以看出：農業是寧夏取水大戶，但用水量和占比均呈下降趨勢，用水量由2001年的78.23億m3減少到58.64億m3，用水占比由93%下降為83.5%，仍高于全國平均水平。

圖2 2001—2020年各行業用水量Fig.2 Water consumption by industry from 2001 to 2020

寧夏是西北地區重要的商品糧基地，有“塞上江南”的美譽，確保糧食生產也是寧夏服務于黃河生態保護與高質量發展的責任。由于寧夏降水少，農業生產對灌溉的依賴程度高，農業用水保障十分重要。考慮農業生產在寧夏的重要地位，結合“四水四定”原則，采用改進方法分析評價水資源承載能力，為區域發展布局決策提供更有效的參考。

2.2 水資源承載能力的計算

2.2.1 水資源可利用量

根據第三次水資源調查評價成果，寧夏全區1956—2016年多年平均當地地表水資源量為9.056億m3，不重復地下水資源量為3.059億m3，當地水資源總量為12.115億m3。由于寧夏自身水資源條件薄弱，主要水源為黃河干流引水。根據最嚴格水資源管理要求（國辦發〔2013〕2號），按取水口徑分配給寧夏的總量控制指標為73.27億m3，將其作為承載能力計算中的水資源可利用量。

2.2.2 水資源承載水平

根據水資源承載水平分級標準和寧夏現狀經濟水平，以全面小康（人均1萬美元）、基本現代化（人均2萬美元）作為承載水平［40］，對應的人均GDP標準分別是68 974元、137 948元（均為2020年可比價）。由于改進方法中農業增加值不再與計算關聯，分析各承載水平下的二、三產產業結構。寧夏的第二產業中工業占比大且重型化明顯［41］，正處于傳統工業轉型升級期，因此未來工業增加值還將增加，但比重隨著三產上升而下降，第三產業發展迅速，占比逐年增加［42］。兩個承載水平下的二、三產結構見表1。

表1 二、三產結構預測［42］Tab.1 Forecast of secondary and tertiary industrial structure%

2.2.3 用水效率

參考《寧夏回族自治區水安全保障“十四五”規劃》等規劃成果，得到寧夏各承載水平的用水定額指標，見表2。其中，產業用水定額隨著技術進步而下降，居民生活用水定額隨著生活水平提高而上升。

表2 用水效率預測Tab.2 Forecast of water use efficiency

2.2.4 水資源承載結果

根據二、三產業用水效率、產業比例，可得到不含農業的萬元產業增加值用水量Cu，其中，全面小康水平為14.2 m3／萬元，基本現代化水平為8.7 m3／萬元。寧夏的農業用水包括耕地灌溉（水田、水澆地）、園地灌溉（釀酒葡萄、枸杞、其他園地）、人工草地灌溉和冬灌，結合現狀不同灌區灌溉水利用系數、種植結構和灌溉規模，計算出全區農業現狀用水量為61.43億m3。扣除現狀農業用水后得到可用于二、三產業和生活的可利用水量（Wv－War）為11.84億m3。基于上述內容得到可承載人口計算公式（10）中的所需數據，計算得出全面小康水平可承載人口數量為903.7萬人，基本現代化水平為681.5萬人。按照現有的三層次評價法得出全面小康水平、基本現代化水平可承載人口分別為763.5萬人、771.5萬人。兩種方法結果對比見表3。

表3 承載能力計算結果對比Tab.3 The bearing capacity calculation results of improved and existing methods

從表3可以看出，隨著用水效率提升，可承載經濟規模增大，但相應生活水平提高，可承載人口能否增加取決于用水效率提升和人均GDP提高的增速對比。在全面小康水平下，改進方法的萬元產業增加值用水量為118.1 m3，小于現有方法的139.0 m3，承載人口903.7萬人高于現有方法的763.5萬人。基本現代化水平下改進方法可承載人口數量比現有方法少90.0萬人。

2.2.5 行業用水量對比與結果差異原因分析

上述結果表明，兩種方法計算得出的可承載GDP均隨承載水平提升而增加，但可承載人口趨勢變化不同，改進方法計算所得可承載人口數量減少，而現有方法的可承載人口數量基本不變。其原因在于改進方法計算中設定了農業用水不變化，二、三產業不能擠占農業用水，而現有方法隨著綜合效率提升，農業用水減少并轉移到其他產值更高的行業。根據兩種方法計算出的可承載人口數量反算各行業用水量，見表4。

表4 兩種方法計算出的可承載人口數量反算的各行業用水量Tab.4 Water consumption by industry in both methods 單位：億m3

現有方法中農業用水量隨效率與農業增加值提高而變化，全面小康水平下農業用水量為63.21億m3，高于現狀實際農業用水量61.43億m3。而改進方法農業用水與現狀相同，將扣除現狀農業用水后的可利用水量作為二、三產業用水，因此綜合用水效率更高，可承載的GDP與人口數量均高于現有方法得出的結果。在基本現代化水平下，現有方法分配給農業的水量為59.91億m3，小于現狀農業用水量，意味著農業用水轉移到了效率更高的二、三產業，因此可承載的GDP和人口數量提高。而改進方法仍維持現狀農業用水，二、三產業用水效率的提升不足以支撐人均GDP的增長，因此可承載人口數量下降。綜上所述：現有方法中農業用水效率隨著整體經濟水平變化，缺少結合機理規律或實際決策條件的支撐，存在農業用水是否可有效保障的問題；而改進方法可分析保障農業用水條件下的水資源承載狀況，揭示水資源管控的邊界條件對綜合用水效率和承載狀況的影響。

3 討 論

根據可承載人口計算公式（10），可利用水資源量Wv一般為確定值，生活用水定額Edo也相對較穩定，主要影響因素就是農業用水量War、人均GDPVp，以及二、三產業用水效率Cu，本文嘗試通過調整此3項因素探究其對于水資源承載能力的影響。

3.1 調整農業用水

寧夏實例分析表明，在農業用水固定的條件下，可承載人口會隨著承載水平的提高而減少。實際上，在農業規模或生產目標保持不變的條件下，隨著用水效率提升農業用水會逐步減少并轉移到效率更高的二、三產業，可以提高承載能力。因此，通過分析調整農業用水后的承載能力變化，可為調控決策提供支持。

按照寧夏適水發展的總體思路，嚴格控制高耗水農業和能源產業發展規模是實現區域高質量發展的必由之路［43］。根據“四水四定”要求，將寧夏全區水稻種植面積從現狀的6.07萬hm2壓縮至1.33萬hm2，定額采用《寧夏回族自治區有關行業用水定額（修訂）》（寧政辦規發〔2020〕20號），水稻常規灌溉定額為15 750 m3／hm2，灌溉水利用系數取0.55，計算得出未來寧夏農業用水量將減少13.6億m3。因此，將農業用水由61.43億m3均勻減少至47.83億m3，各承載水平下的人口數量與GDP變化見圖3。可見，可承載人口數量和GDP隨農業用水量減少均呈直線上升趨勢。對于基本現代化水平，若農業用水量由61.43億m3減少至47.83億m3（減少22.1%），區域可承載人口數量由681.5萬人增加至1 488.9萬人（增加118%），GDP由9 322.9億元增長至19 769.5億元（增長112%），人口增幅高于GDP增幅。

圖3 農業用水量與可承載人口、GDP變化關系Fig.3 Charts of the relationship between agricultural water use，bearable population and GDP

根據公式（10）和（11），其中的Wc、Vp、Cu、Edo在各承載水平下均為定值，因此可承載人口與GDP和（Wv－War）呈正比關系，減少農業用水量War意味著生活和二、三產業可利用水量提高，帶來可承載人口和GDP的線性上升。

3.2 調整人均GDP

為了探求人均GDP變化對區域可承載GDP、人口數量的影響，將人均GDP設置±50%的波動范圍，全面小康和基本現代化變化范圍分別是3.3萬元～9.9萬元、6.9萬元～20.7萬元，各承載水平的可承載人口數量與GDP隨人均GDP增減變化見圖4。由圖4可知，區域可承載人口隨人均GDP升高呈下降趨勢，可承載GDP呈上升趨勢。對于基本現代化水平，區域可承載人口數量由1 024.5萬人減少到510.6萬人，可承載GDP由6 880.3億元增加到10 666.9億元。

圖4 人均GDP與可承載人口、GDP變化關系Fig.4 Charts of the relationship between per capita GDP and bearable population and GDP

根據公式（10），在Wv、War、Cu、Edo保持不變條件下，可承載人口P與人均GDP水平Vp呈反比關系，生活水平提高導致可承載的人口數量減少。公式（12）表明Vp增大帶來可承載GDP增加，即在農業用水量不變的情況下，人均GDP水平提高使得可承載人口數量減少，但用于生產的水量相應增加，因此可承載GDP略有增長。

3.3 調整二、三產業用水效率

根據公式（10）、（11），二、三產業用水效率與承載規模呈反比關系，用水效率提高（數值降低），可承載人口數量與GDP增加。將二、三產業用水效率設置±50%的波動范圍，可承載人口數量與GDP隨用水效率增減變化見圖5。對于基本現代化水平，當二、三產業用水效率從13.1 m3／萬元提高到4.4 m3／萬元時，區域可承載人口數量由510.6萬人增加到1 024.5萬人，可承載GDP由7 111.2億元增長到13 760.6億元。

圖5 二、三產業用水效率與可承載人口數量、GDP變化關系Fig.5 Charts of the relationship between water use efficiency and bearable population and GDP

從公式（10）和（11）可以看出，在Wv、War、Vp、Edo保持不變條件下，Cu與可承載人口P和GDP呈反比關系，用水效率提升可提高水資源承載能力。

上述討論表明，在區域水資源約束確定的情況下，農業用水控制目標，二、三產業用水效率和生活水平是影響水資源承載能力的主要因素，改進方法計算公式可以直接分析不同因素變化對承載結果的影響作用。幾種因素中，農業用水對于區域水資源承載能力影響最為顯著。上述因素自身也存在相互影響關系，且同步變化。因此，需要綜合評價區域產業發展空間、生活水平提升需求、用水效率提升空間等多類因素，提出水資源承載能力提升的有效途徑。

4 結 論

通過改進現有的水資源承載能力三層次評價方法并進行驗證研究，結果表明：改進方法可以解決萬元GDP產業用水量受農業影響大導致計算結果不夠準確的問題，更準確反映農業保障目標下的水資源承載能力結果，適應“四水四定”要求下的水資源承載能力分析評價；通過推導得出可承載人口數的直接計算公式，避免試算校核提高計算效率與準確性，同時通過公式可以量化反映不同影響因素對承載能力結果的作用機制，適應不同情景分析需求；寧夏實例驗證表明，以現狀合理農業用水作為農業保障目標，現有方法在全面小康和基本現代化兩個承載水平下比改進方法可承載人口數量分別偏低140.2萬人和偏高90.0萬人。進一步分析表明：現有方法農業用水分配量由綜合用水效率確定，在兩個承載水平下農業用水量分別為63.21億m3和59.91億m3，與現狀農業用水量61.43億m3存在差異，隨著承載水平提升農業用水被轉移到了效率更高的二、三產業，不能體現農業用水的合理保障，改進方法給出明確的農業保障目標下的承載結果，更能反映實際決策需求；通過情景分析反映農業用水量，人均GDP，二、三產業用水效率3個關鍵指標變化對可承載人口數量與GDP的影響，結果顯示農業用水量影響最大。

考慮主體、客體和主客體關系三層次涉及因素多，未來還需深化研究，進一步識別各層次影響因素及其關系，使方法更科學合理并便于應用。一是承載主體方面，隨著非常規水利用提升、外調水增加，可利用水源增加，有必要進一步探討其提高承載能力的作用機制和效果，包括結合水文隨機性和供水條件影響下的可利用水量識別分析；二是承載客體方面，應進一步精準分析綜合用水效率，目前用水效率只進行了二、三產業的劃分，還較為粗略，可借助大數據分析等手段挖掘細分的行業用水效率，更真實反映產業結構調整對綜合用水效率的影響；三是在主客體關系上，可進一步研究承載水平的表達方式，避免單一的人均GDP作為衡量依據對承載水平反映不夠全面。此外，本研究選擇了農業用水占比大的寧夏作為典型研究區域，針對其他類型的地區應評價方法適應性，分析改進辦法。